JPH09162451A

JPH09162451A - 圧電積層体

Info

Publication number: JPH09162451A
Application number: JP31655595A
Authority: JP
Inventors: Takao Katsumata; 孝夫勝又
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】変位量の低下なくマイグレーションを防止す
る。【解決手段】内部電極層１１は基体１０の外周縁部に形
成された外周電極１２と外周電極１２の内周側に形成さ
れた内周電極１３とからなり、外周電極１２は内周電極
１３より耐マイグレーション性に優れた導電材料から形
成されている。外周電極１２の存在により内周電極１３
が水分からシールされ、マイグレーションが防止され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電効果を利用し
た圧電アクチュエータとして用いられる圧電積層体に関
し、詳しくは内部電極層のマイグレーションの発生を防
止する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁力を利用したアクチュエータ
に代わって、例えば特開昭６２−２９１１８７号公報、
実開昭６４−３０８６５号公報などに開示されているよ
うに、圧電効果を利用した圧電アクチュエータが多用さ
れている。この圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能なため、各種の機械的駆動素子
として極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変
位は本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るた
めに複数の圧電板をあるいは圧電板と電極板とを交互に
多重に積層し、それを絶縁保護層で被覆した構造の圧電
積層体として提供されている。

【０００３】ところで圧電板どうしをあるいは圧電板と
電極板とを交互に積層する場合、位置ずれを防止するた
めに圧電板どうしをあるいは圧電板と電極板を接合する
ことが望ましい。またその接合は電気的導通を確実とす
ることも望まれる。そこで特開昭６０−１２１７８４号
公報などには、圧電板と電極板の間に導電性の銀ペース
トなどを介在させ、このペーストの結合力を利用して接
合された圧電積層体が開示されている。

【０００４】すなわち、例えば圧電板の両表面全面にス
クリーン印刷などで銀ペーストを付着させて内部電極層
を形成し、圧電板どうしをあるいは圧電板と電極板とを
交互に積層した後加熱・加圧する。これにより銀ペース
ト中のガラス成分が溶融し接着剤として機能して、圧電
板どうしがあるいは圧電板と電極板とが一体的に接合さ
れ電気的導通も確保される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが銀ペーストか
ら形成された内部電極層では、水分の存在により銀がイ
オン化しやすく印加電圧により電解析出し、それが電界
によって移動して短絡に至るいわゆるマイグレーション
が発生しやすいという不具合がある。このような不具合
を防止するには、内部電極層の材質として金（Ａｕ）や
白金（Ｐｔ）などのイオン化しにくく導電性に優れた金
属を用いることが考えられる。しかしながらこれらの貴
金属は高価であるため圧電積層体のコストが上昇し、実
用的ではない。また純銀ではなく各種銀合金とすればイ
オン化しにくくなるが、電気特性が低下するため圧電積
層体の変位量の低下を招く。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、変位量の低下なくマイグレーションを防止
することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の圧電積層体の特徴は、圧電板を複数個積層してなる
圧電積層体において、圧電板は圧電体からなる基体と、
基体の少なくとも一方の表面に形成された内部電極層と
からなり、内部電極層は基体の外周縁部に形成された外
周電極と外周電極の内周側に形成された内周電極とから
なり、外周電極は内周電極より耐マイグレーション性に
優れた導電材料から形成されていることにある。

【０００８】また、さらに好ましい形態の第２発明の圧
電積層体の特徴は、上記圧電積層体において外周電極は
ガラス成分を含み、積層時の加熱により基体の外周縁部
を隣接材に接合して内周電極をシールしていることにあ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の圧電積層体は、圧電板ど
うしを複数個積層したもの、あるいは圧電板と電極板を
交互に積層したものとすることができる。また内部電極
層は、圧電積層体の中間部では圧電体の両表面に形成さ
れているが、両端部では一般に片面のみに形成される。

【００１０】圧電板は基体と内部電極層とからなり、基
体は電圧の印加により歪みや応力を生じる圧電体から形
成されている。例えばペロブスカイト結晶構造のＰｂＴ
ｉＯ ₃−ＰｂＺｒＯ₃（ＰＺＴ）系の固溶体、ＢａＴｉ
Ｏ₃とＰｂＴｉＯ₃又はＣａＴｉＯ₃との固溶体などの
圧電体セラミックスから円板形状に形成された、従来と
同様のものが用いられる。

【００１１】内部電極層は外周電極と内周電極とから構
成されている。このうち内周電極は基体の片側表面の面
積の大部分を占め、内部電極として機能する必要がある
ので、圧電積層体としての変位量を確保するためには、
銀を始めとする導電性に優れた材料を用いる必要があ
る。また外周電極は、内周電極の外周部で基体の外周縁
部にリング状に形成され、内周電極より耐マイグレーシ
ョン性に優れた導電材料から形成されている。この外周
電極を構成する導電材料は、内周電極を構成する導電材
料の材質に応じて相対的に選択される。例えば内周電極
が銀から構成されている場合には、耐マイグレーション
性に優れ銀ーパラジウム合金など銀に次いで導電性に優
れた材料を用いることが好ましい。このような耐マイグ
レーション性に優れた導電材料としては、他にコストを
無視すれば金、白金なども用いることができる。

【００１２】外周電極は、内周電極のマイグレーション
を防止できる範囲内でできるだけその幅（外径と内径の
差）を小さくすることが望ましい。外周電極の幅が大き
くなると、圧電積層体の変位量が低下する場合がある。
例えば外周電極がＡｇ−Ｐｄから形成されている場合、
外周電極の幅は２ｍｍ以下とすることが望ましい。外周
電極はガラス成分を含むことが望ましい。このようにす
れば、積層して加熱時にガラス成分が溶融し、対向する
圧電板どうしあるいは圧電板と電極板をリング状に接合
する。これにより内部の内周電極が水分からシールさ
れ、マイグレーションを一層防止することができる。

【００１３】すなわち本発明の圧電積層体では、圧電板
の外周表面には耐マイグレーション性に優れた外周電極
が表出しているので、マイグレーションが防止される。
そして外周電極がガラス成分を含み圧電板どうしあるい
は圧電板と電極板、又は圧電板とインシュレータがそれ
ぞれリング状に接合されていれば、内周電極が水分から
確実にシールされるので、耐マイグレーション性が一層
向上する。

【００１４】

【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。（実施例１）図１及び図２は本実施例の圧電積層体を示
すものである。この圧電積層体は、接合型ＰＺＴアクチ
ュエータであり、積層された複数の圧電板１及びインシ
ュレータ２と、帯状の一対の外部電極３，３’と、シリ
コングリス４及び絶縁チューブ５とから主として構成さ
れている。

【００１５】圧電板１は、図３に示すように圧電体から
なる基体１０と、基体１０の表裏両表面に形成された厚
さ約５μｍの内部電極層１１とから構成されている。こ
のうち基体１０は直径１６ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板
状にＰＺＴから形成され、圧電定数（ｄ₃₃）が５５０×
１０^-12ｍ／Ｖの特性を有している。また内部電極層１
１は、基体１０の外周縁部に形成されたリング状で幅１
ｍｍの外周電極１２と、基体１０の表面面積の大部分を
占め外周電極１２の内周側に形成された直径１５ｍｍの
円形の内周電極１３とから構成されている。外周電極１
２は、耐酸化性に優れかつ耐マイグレーション性に優れ
た銀ーパラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）合金及びガラス成分を
含むペーストから形成され、内周電極１３は銀（Ａｇ）
及びガラス成分を含むペーストから形成されている。

【００１６】圧電板１は５８枚積層され、その両端には
インシュレータ２がそれぞれ配置されている。このイン
シュレータ２は、図４に示すように厚さが２．５ｍｍで
あること以外は圧電板１と同様の基体２０からなり、基
体２０の一表面には圧電板１と同様に外周電極２２と内
周電極２３とからなり厚さ約５μｍの内部電極層２１が
形成されている。そして二つのインシュレータ２は、そ
れぞれ内部電極層２１をもつ表面が圧電板１と対向する
ように積層されている。

【００１７】積層された圧電板の側周面には、円周方向
に１８０度離れて互いに対向し中心軸と平行に延びる帯
状の一対の外部電極３，３’が形成されている。外部電
極３の内部ではエポキシ樹脂系の絶縁材からなる絶縁層
３０が内部電極層１１の表出部に一つおきに形成され、
１８０度反対側の外部電極３’の内部では、絶縁層３０
が形成されていない内部電極層１１の表出部に同様の絶
縁層３０’が一つおきに形成されている。また外部電極
３，３’には、外部へ延びるリード線３１，３１’の一
端がそれぞれ接続されている。

【００１８】そして側周面全体にシリコングリス４が塗
布され、その表面には熱収縮により収縮した絶縁チュー
ブ５が被覆されている。次に、上記圧電積層体の製造方
法を２種類説明する。先ず図５を参照しながら、第１の
製造方法を説明する。＜製造方法１＞先ず予め成形された直径１７ｍｍの基体
１０と基体２０を用意し、エタノール又はアセトンでよ
く洗浄する（ステップ１０１）。次にＡｇ粉末を導電成
分としガラス成分を約４０重量％含有するペーストＡを
用い、基体１０の両表面と基体２０の片方の表面にスク
リーン印刷により内周電極１３，２３を印刷して乾燥さ
せる。次にＡｇ−Ｐｄ粉末を導電成分としガラス成分を
約４０重量％含有するペーストＢを用い、基体１０の両
表面と基体２０の片方の表面にスクリーン印刷により外
周電極１２，２２を印刷して乾燥させ、これにより内部
電極層１１，２１を形成する（ステップ１０２〜１０
５）。

【００１９】そして複数（５８枚）の圧電板１を積層す
るとともに、積層体の両端にインシュレータ２をそれぞ
れ配置する。インシュレータ２は、内部電極層２１が圧
電板１に対向するようにそれぞれ配置される（ステップ
１０６）。次に上記積層体を電気炉内に入れ、軸方向両
側から押圧しながら６００℃で１５分間熱処理して圧着
する（ステップ１０７）。その後研削加工により外径を
１６ｍｍとし、軸方向長さを３４ｍｍとする（ステップ
１０８〜１０９）。

【００２０】そしてエポキシ樹脂系の絶縁シールを用
い、側周面に表出する内部電極層１１，２１に一層おき
に円周方向で約８ｍｍとなるように、かつ軸方向で同一
直線上となるように塗布する。さらに積層体を１８０度
反転させ、先に絶縁材が塗布されなかった内部電極層１
１，２１に同様に絶縁シールを塗布する。その後１５０
℃で３０分加熱して焼き付け、絶縁層３０，３０’を形
成した（ステップ１１０）。

【００２１】次にエポキシ樹脂をバインダとするＡｇペ
ーストを用い、絶縁層３０を連結するように塗布すると
ともに、１８０度反対側では絶縁層３０’を連結するよ
うに塗布し、それぞれリード線３１，３１’を配置した
後１５０℃で３０分間焼き付けて外部電極３，３’を形
成した（ステップ１１１〜１１３）。そして側周面全面
にシリコングリス４を塗布して防湿処理を行い、熱収縮
チューブを被覆して加熱することにより収縮させて絶縁
チューブ５を被覆した。そして高電圧を印加して分極処
理を行い、本実施例の圧電積層体を得た（ステップ１１
４〜１１６）。＜製造方法２＞次に図６〜図１１を参照しながら、他の
製造方法について説明する。

【００２２】先ず予め成形された直径１７ｍｍの基体１
０と基体２０を用意し、エタノール又はアセトンでよく
洗浄する（ステップ２０１）。次にＡｇ粉末を導電成分
としガラス成分約４０重量％を含有するペーストＡを用
い、図６と図７に示すように基体１０の両表面と基体２
０の片方の表面全面に内部電極６をスクリーン印刷によ
り印刷して乾燥させる（ステップ２０２〜２０３）。そ
して複数（５８枚）の圧電板１を積層するとともに、積
層体の両端にインシュレータ２をそれぞれ配置する。イ
ンシュレータ２は、内部電極層２１が圧電板１に対向す
るようにそれぞれ配置される（ステップ２０４）。

【００２３】次に上記積層体を電気炉内に入れ、軸方向
両側から押圧しながら６００℃で１５分間熱処理して圧
着した。その後研削加工により外径を１６．２ｍｍと
し、軸方向長さを３４ｍｍとした（ステップ２０５〜２
０６）。次に図８に示す圧着された積層体をＨ₂Ｏ₂／
ＮＨ₃混合水溶液中に浸漬し、電極層６の外周部を除去
して図９に示すように隙間６０を形成し、その後洗浄し
て乾燥する（ステップ２０７〜２０８）。これにより内
周電極１３，２３が形成される。

【００２４】その後、隙間６０にＡｇ−Ｐｄ粉末を主成
分としガラス成分を約４０重量％含有するペーストＢを
充填し、焼き付けて図１０に示すように外周電極１２，
２２を形成する。そして、研削加工により外周表面に付
着したペーストＢを除去するとともに外径を１６ｍｍと
する（ステップ２０９〜２１０）。その後の工程（ステ
ップ２１１〜２１８）は、製造方法１のステップ１０９
〜１１６と全く同様であるので、説明を省略する。（実施例２）Ａｇ−Ｐｄペーストの代わりに、白金（Ｐ
ｔ）を導電成分としガラス成分を約２５重量％含むＰｔ
ペーストを用いて外周電極１２，２２を形成したこと以
外は実施例１と同様の構成である。（実施例３）Ａｇ−Ｐｄペーストの代わりに、金（Ａ
ｕ）を導電成分としガラス成分を約３０重量％含むＡｕ
ペーストを用いて外周電極１２，２２を形成したこと以
外は実施例１と同様の構成である。（性能評価）上記の４種類の圧電積層体において、内周
電極１３，２３の直径寸法を０〜１６ｍｍまで変化させ
て各種の圧電積層体を作成し、それぞれの変位特性を調
査した。結果を図１２に示す。なお変位特性の調査は、
それぞれの圧電積層体に６００Ｖの電圧を印加した時の
変位量を測定することにより行った。

【００２５】図１２より、ＰｔとＡｕの場合には外周電
極１２，２２の寸法が変化しても変位量には全く影響が
無いが、比較的安価なＡｇ−Ｐｄペーストの場合には内
周電極１３，２３の直径が１４ｍｍより小さくなると変
位特性の減少が大きい。したがって外周電極１２，２３
としてＡｇ−Ｐｄペーストを用いる場合には、内周電極
１３，２３の直径を１４ｍｍ以上とすることが好ましい
ことがわかる。

【００２６】次に、内周電極１３，２３の直径が１５ｍ
ｍのものと、全面がＡｇ電極のもの（内周電極１３，２
３の直径が１６ｍｍのもの）について、耐久性をそれぞ
れ調査した。耐久性は作動電圧を６００Ｖ、７００Ｖ、
８００Ｖの３水準選びＯＮ−ＯＦＦを繰り返し行って、
マイグレーションが発生するまでの繰り返し回数を測定
した。結果を図１３に示す。

【００２７】図１３より、全面がＡｇ電極の場合には短
期間でマイグレーションが発生し、作動電圧が高いもの
ほど早期にマイグレーションが発生していることがわか
る。しかし他のものでは、１０⁹回の繰り返し回数でも
ほとんどマイグレーションが生じず、またこの特性は作
動電圧による差もほとんど無く、大幅な耐久性の向上が
確認できた。これは外周電極１２，２２の存在に起因す
ることが明らかであり、外周電極１２，２２が内周電極
１３，２３の外側で圧電板１どうしに隙間無く接着し、
内周電極１３，２３を密閉してシールしていることによ
るものと考えられ、この優れたシール性は外周電極１
２，２２中のガラス成分が積層・加熱時に溶融して圧電
板１及びインシュレータ２と密着したことに起因すると
考えられる。

【００２８】

【発明の効果】すなわち本発明の圧電積層体によれば、
外周電極が耐マイグレーション性に優れているので、マ
イグレーションの発生が防止され耐久性に優れている。
また内周電極は十分な面積を占めているので、変位量の
低下もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の圧電積層体の断面図であ
る。

【図２】本発明の一実施例の圧電積層体の断面図であ
り、図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】本発明の一実施例の圧電積層体に用いた圧電板
の斜視図である。

【図４】本発明の一実施例の圧電積層体に用いたインシ
ュレータの斜視図である。

【図５】本発明の一実施例の圧電積層体の製造方法を示
すフローチャートである。

【図６】本発明の一実施例の他の製造方法に用いた圧電
板の斜視図である。

【図７】本発明の一実施例の他の製造方法に用いたイン
シュレータの斜視図である。

【図８】本発明の一実施例の他の製造方法における積層
体の断面図である。

【図９】本発明の一実施例の他の製造方法における積層
体から内部電極層の外周部を除去した状態を示す断面図
である。

【図１０】本発明の一実施例の他の製造方法における積
層体から内部電極層の外周部を除去し、そこにペースト
を充填した状態を示す断面図である。

【図１１】本発明の一実施例の圧電積層体の他の製造方
法を示すフローチャートである。

【図１２】内周電極の直径と変位量との関係を示すグラ
フである。

【図１３】外周電極の材質と耐久回数との関係を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１：圧電板２：インシュレータ
３：外部電極４：シリコングリス５：絶縁チューブ１
０：基体１１：内部電極層１２：外周電極１
３：内周電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電板を複数個積層してなる圧電積層体
において、前記圧電板は圧電体からなる基体と、該基体の少なくと
も一方の表面に形成された内部電極層とからなり、該内
部電極層は該基体の外周縁部に形成された外周電極と該
外周電極の内周側に形成された内周電極とからなり、該
外周電極は該内周電極より耐マイグレーション性に優れ
た導電材料から形成されていることを特徴とする圧電積
層体。
【請求項２】前記外周電極はガラス成分を含み、積層
時の加熱により隣接する前記基体の外周縁部どうしを接
合して前記内周電極をシールしていることを特徴とする
請求項１記載の圧電積層体。